軟巖隧道斜井超欠挖鉆爆技術(shù)與優(yōu)化設(shè)計

任麗娜，張曉華

（中交一航局第三工程公司，遼寧大連116083）

1 概述

項目位于滇南山區(qū)，地形及交通條件惡劣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變，本標(biāo)段隧道施工占比達(dá)92.6%,其中斜井施工長度7.8km，正線隧道施工長度25.7km，斜井占正線隧道施工的30.03%，其中斜井和正線Ⅳ/Ⅴ級圍巖占比達(dá)78.16%，軟弱圍巖開挖施工難度大，為確保施工順利進(jìn)行，針對圍巖特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)對鉆眼、布眼、裝藥量及段落聯(lián)接進(jìn)行有效控制；假如不采取科學(xué)、動態(tài)施工，不僅影響隧道巖壁平整度及周邊成形效果，還會危及到周邊圍巖的穩(wěn)定性，增加了支護(hù)噴射混凝土回填量，引發(fā)拱頂脫空等安全/質(zhì)量事故，造成項目成本虧損，所以優(yōu)化鉆爆設(shè)計對保證隧道施工安全、質(zhì)量及進(jìn)度，提高圍巖的穩(wěn)定性，節(jié)省項目成本具有重要的意義[1-4]。

方坤對南五臺公路隧道爆破設(shè)計提出改進(jìn)意見[5]，炮眼之間距離控制在0.7m左右，使爆破參數(shù)得到了合理優(yōu)化；鄒樹梅以多打孔少裝藥施工模式，減輕弱爆破對軟弱圍巖的擾動為出發(fā)點(diǎn),重點(diǎn)優(yōu)化軟弱圍巖的微爆破設(shè)計方案[6]；賈明倫通過爆破試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，完善泥巖、風(fēng)化巖地段爆破方案，介紹蘭新鐵路站前I標(biāo)，大陽山隧道黃土巖性及淺埋段施工，同時制定淺埋段爆破藥量控制，對地表結(jié)構(gòu)物造成的破壞力，嚴(yán)格控制段落微差爆破施工方法[7]；王梅通過鉆眼深度及炮孔的裝藥量，特別是周邊眼裝藥量的控制，根據(jù)開挖循環(huán)進(jìn)尺，采取堵塞殘余孔弱爆破施工措施[8]，有效控制了爆破共震力造成圍巖擾動破壞；參考了唐中華研討的宜萬鐵路八字嶺隧道，對灰?guī)r、凝灰?guī)r夾白云巖地段爆破設(shè)計[9]，確定了不同圍巖條件下的光面爆破，鉆眼、布孔及裝藥量等關(guān)鍵施工要點(diǎn)，有效解決了掘進(jìn)斷面超/欠挖等疑難問題。

2 現(xiàn)場地質(zhì)情況

曼木樹2號斜井位于正線DK423+000處，線路左側(cè)設(shè)置，斜井總長1666.81m，采用無軌單車道施工運(yùn)輸，最大斜坡度為-10%，凈空尺寸為7.5m（寬）×6.2m（高），斜井全部為Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，隧道施工穿過（J2h）泥巖、順層頁巖夾板巖地段，目前掌子面拱頂、拱腰出現(xiàn)砂巖夾少量炭質(zhì)泥巖。

泥質(zhì)板巖，肉紅色，局部出現(xiàn)葉片狀順層結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，手摸裂面光滑，巖質(zhì)較軟。巖層走向與斜井中線夾角13°，產(chǎn)狀為N20°W/45°SW傾向線路左側(cè)，橫斷面45°視傾角，掌子面右側(cè)存在順層偏壓，拱頂、拱腳有滲、滴水現(xiàn)象，遇水碾壓后軟化崩解。

2.1 掌子面圍巖情況調(diào)查

圍巖沿隧道中軸線巖性變化較大，從5月27日至6月4日現(xiàn)場調(diào)查中，巖性由泥質(zhì)板巖慢慢過渡至泥巖夾凝灰?guī)r，掌子面左側(cè)出現(xiàn)泥質(zhì)凝灰?guī)r（粉末狀），灰綠色，右側(cè)拱頂為板巖，肉紅色，巖層層面構(gòu)造發(fā)育明顯，拱頂及右側(cè)拱腰有滴水、滲水現(xiàn)象，對鉆孔、布孔、裝藥影響比較大。

2017年6月2日，爆破施工結(jié)束后，進(jìn)行現(xiàn)場超欠挖實(shí)測，臺階法開挖施工，上臺階進(jìn)尺為3.0m，開挖輪廓線左邊墻超挖小于0.1m，屬于合理可控制范圍；拱頂、右拱腰超挖0.2～0.3m；右拱腳超挖約0.2m；右邊墻、右墻腳局部超挖約0.4～0.5m。

2.2 鉆眼參數(shù)現(xiàn)場實(shí)測調(diào)查

一級掏槽孔豎向間距控制在0.8m左右，水平間距3.4m（外八字），角度55°，鉆孔深度3.5m；二級掏槽孔豎向間距控制在0.4m左右，水平間距為4.0m，角度62°，鉆孔深度3.0m，偏差絕對值為7°，一、二級掏槽眼之間距離為0.3m；共設(shè)置一層內(nèi)圈眼，環(huán)向之間距離為0.8～1.4m，與二級掏槽孔間距0.75m；底板眼水平間距0.9～1.05m，下插角-3°～-6°；周邊眼環(huán)向間距0.5～0.7m，外甩（插）角5°，鉆桿深度為3.1m，按支護(hù)兩榀鋼架長度2.4m為準(zhǔn)，掘進(jìn)長度超進(jìn)0.6m，拱頂出現(xiàn)掉塊，掌子面拱頂及右下角拱腰超/欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 爆孔施工工藝

通過對2#斜井現(xiàn)場多次勘察和研究，再次對鉆爆工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，要求做到拱部及斷面松動危巖清除、量測布眼、鉆眼、清眼、裝藥、殘孔堵塞、導(dǎo)爆索應(yīng)用及微差導(dǎo)爆管聯(lián)接；控制炮眼數(shù)量、角度、深度及結(jié)構(gòu)尺寸布置，尤其單孔裝藥量的控制，必須嚴(yán)格按優(yōu)化后工藝執(zhí)行。

3.1 炮眼布置

（1）炮眼布置前，先采用挖掘機(jī)配合人工清除掌子面松動危巖、上臺階底板虛渣及回彈噴射混凝土。

（2）施工測量放樣開挖斷面輪廓線，炮眼位置、數(shù)量及結(jié)構(gòu)尺寸；現(xiàn)場采用紅漆做記號，標(biāo)定隧道中心線，對稱劃出掏槽眼位置，然后進(jìn)行內(nèi)圈眼、周邊眼及壓頂眼布置，布孔結(jié)束、檢查確認(rèn)無誤后，方可進(jìn)行鉆眼施工作業(yè)。

3.2 炮眼鉆孔

（1）采用28#手動或三臂風(fēng)機(jī)鉆眼，鉆孔直徑為42mm。

（2）嚴(yán)格控制鉆眼的角度和深度，特別是周邊眼和一級掏槽眼的傾斜角度，嚴(yán)格按優(yōu)化工藝執(zhí)行；要求現(xiàn)場技術(shù)主辦，在炮孔鉆眼施工中，做好鉆孔施工技術(shù)指導(dǎo)及地質(zhì)素描記錄，為下循環(huán)施工提供依據(jù)。

3.3 炮眼清孔

（1）炮眼施工結(jié)束后，撤出鉆孔設(shè)備，進(jìn)行炮孔清理工作，確?？咨顫M足施工要求。

（2）采用吹風(fēng)管進(jìn)行清孔，清除孔內(nèi)渣體、積水及污泥，確認(rèn)眼孔無堵塞后，方可將孔口封堵（防止底眼孔積水或小碎石再次堵塞炮孔，建議采用編織袋或廢紙堵塞）。

3.4 炮眼裝藥

（1）由開挖班施工人員，配合專業(yè)爆破技術(shù)人員進(jìn)行裝藥，裝藥過程中應(yīng)嚴(yán)格控制周邊眼、內(nèi)圈眼及掏槽眼的裝藥量，要求提前計算炮孔眼藥量，提高裝藥施工效率。

（2）眼底藥倒插導(dǎo)爆雷管，一手抓住導(dǎo)爆管腳線，慢慢放進(jìn)炮孔眼口處，然后用?30mmPVC炮棍，輕輕推入炸藥至眼底；每孔裝藥時，注意裝藥過程中，推力均勻，不得強(qiáng)推，確保每節(jié)藥首尾連接密實(shí)（除周邊眼外）。

3.5 炮眼堵塞

（1）宜用廢舊紙或黃泥作殘余孔堵塞物，將黃泥捏成條狀，優(yōu)化殘余孔約為20～50cm。

（2）堵塞物慢慢用力推進(jìn)，然后壓實(shí)以充分接觸炸藥，依次用力推實(shí)堵塞物，確保殘孔長度堵塞密實(shí)。

3.6 爆管聯(lián)接

（1）為減少爆破共震力，對周邊圍巖擾動破壞，現(xiàn)場必配1段、3段、5段、7段、9段、11段微差導(dǎo)爆管，實(shí)現(xiàn)周邊眼、內(nèi)圈眼、掏槽眼及底板眼各自獨(dú)立引爆，減弱爆破共震力對拱部圍巖完整性的破壞，達(dá)到預(yù)裂爆破效果。

（2）聯(lián)接導(dǎo)爆索和導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆管與電雷管時，均采用膠粘帶綁扎；為防止導(dǎo)爆管產(chǎn)生盲炮現(xiàn)象，綁扎導(dǎo)爆管與電雷管時，宜包裹少許炸藥（電雷管需插入炸藥中），達(dá)到共同引爆效果。

3.7 爆破作業(yè)與起爆

（1）裝藥聯(lián)接結(jié)束后，由專職爆破員統(tǒng)一指揮，現(xiàn)場人員全部撤離，必須在安全距離之外躲藏。

（2）引爆線長度不得小于200m，采用12Ⅴ電壓起爆，確?，F(xiàn)場人員及機(jī)械設(shè)備，全部撤出安全距離之外后放可引爆，同時關(guān)閉洞外通風(fēng)設(shè)備，以防爆破氣流對風(fēng)袋造成損壞。

4 改進(jìn)的鉆眼爆破炮孔設(shè)計

結(jié)合斜井工程地質(zhì)情況，施工隊伍的作業(yè)習(xí)慣，通過和現(xiàn)場技術(shù)人員、施工負(fù)責(zé)人共同研討，對2#斜井7.5m（寬）×6.2m（高）斷面尺寸進(jìn)行優(yōu)化鉆爆；建議采用短臺階開挖，上臺階施工高度控制在3.75m，按每循環(huán)2.4m進(jìn)尺，具體鉆眼結(jié)構(gòu)尺寸布置、鉆孔藥量參數(shù)修訂如下。

4.1 炮孔參數(shù)設(shè)計

（1）掏槽眼。采用兩級掏槽眼、楔形外“八”字掏槽對稱布置，一級掏槽眼內(nèi)掏角度72°，兩側(cè)掏槽眼水平距離2.4m，距隧道中線1.2m，共3層，每層豎向間距為0.5～0.65m，每側(cè)3個炮孔，共設(shè)置6個炮孔，每孔鉆眼深度3.2m；二級掏槽眼內(nèi)掏角度79°，兩側(cè)掏槽眼水平距離3.4m，與一級掏槽眼水平間隔0.5m，共2層，每層高度間距不得大于0.58m，鉆眼深度3.0m，每側(cè)2個炮孔，共4個炮孔；一、二級掏槽眼距底眼高度0.6m，見圖1、圖2；新增壓頂眼2個孔，每孔水平間距0.75m，距2層內(nèi)圈眼豎向距離0.6m，鉆眼深度3.2m，下插角-20°；通過多次試驗(yàn)，掏槽眼及壓頂眼平均系數(shù)均取0.75kg/m3，則每孔裝藥量為：q掏={平均孔深[（3.2m+3m+3.2m）/3]-殘孔堵塞長度0.4m}×平均系數(shù)0.75=2.05kg，每孔藥量2.05kg。

掏槽眼總裝藥量Q掏=2.05×（6+4+2）=24.6（kg）。

圖1 掏槽眼和壓頂眼布置示意圖

圖2 掏槽鉆孔控制平面圖

（2）內(nèi)圈眼。第一層內(nèi)圈眼環(huán)向間距0.7m，環(huán)向布置，炮孔角度與隧道中線平行，鉆眼深度2.7m，共13個炮孔；第二層內(nèi)圈眼環(huán)向間距0.8m，第二層與第一層內(nèi)圈眼水平間距0.7m，環(huán)向布置，與隧道中線內(nèi)插角度84°，鉆眼深度2.9m，與二級掏槽眼間隔0.6m，共9個炮孔，見圖3；內(nèi)圈眼裝藥平均系數(shù)取0.6kg/m3，則每孔裝藥量為：n內(nèi)=[平均孔深（2.7m+2.9m）/2-殘孔堵塞長度0.4m]×平均系數(shù)0.6=1.44kg，每孔總藥量1.44kg。

內(nèi)圈眼總裝藥量N內(nèi)=1.44×（13+9）=31.68（kg）。

圖3 內(nèi)圈眼布置示意圖

圖4 周邊眼布設(shè)示意圖

（3）周邊眼。周邊眼距開挖輪廓線-0.1m環(huán)向布置，拱頂120°范圍內(nèi)鉆眼下插角-2°～-1°，拱腰以下鉆眼角度與隧道中線水平，炮眼間距0.45m，鉆眼孔深2.7m，共25個炮孔。裝藥采用間斷隔離方式，間斷長度0.32m，現(xiàn)場紅線導(dǎo)爆索串聯(lián)爆破，通過現(xiàn)場多次試驗(yàn)后，光面效果比較理想，見圖4；周邊眼每孔裝藥量平均系數(shù)為0.45kg/m3,則單孔裝藥量為：z周=單孔裝藥長度（0.32×4）×平均系數(shù) 0.45=0.57（kg），每孔總藥量0.57kg。周邊眼間斷隔離裝藥布置示意圖，見圖5。

周邊眼總裝藥量Z圈=0.57×25=14.3（kg）。

4.2 鉆孔施工精度控制要點(diǎn)

根據(jù)斜井設(shè)計施工圖，Ⅳ級圍巖鋼架間距為1.2m，按每循環(huán)開挖兩榀鋼架間距，則每次開挖進(jìn)尺不得大于2.6m；掏槽眼鉆孔施工，精準(zhǔn)控制外“八”字掏槽角度，一級掏槽控制角度72°，鉆孔深度3.2m，每側(cè)距離隧道中心線1.2m；二級掏槽控制角度79°，鉆孔深度為3m，每側(cè)距離隧道中心線1.7m；第二層內(nèi)圈眼距二級掏槽眼0.6m，鉆孔深度為2.9m，環(huán)向布置，與隧道中線內(nèi)插角度84°；第一層內(nèi)圈眼距第二層內(nèi)圈眼0.7m環(huán)向布設(shè)，鉆孔環(huán)向距離0.7m，鉆眼角度平行隧道中線，鉆孔深度為2.7m；周邊眼距第一層內(nèi)圈眼0.6m，鉆孔深度2.7m；壓頂眼位于一級掏槽眼上方，與隧道中線對稱布設(shè)，與第二層內(nèi)圈眼豎向距離0.6m，鉆眼下插角-20°，鉆眼深度為3.2m；底板眼位于隧道導(dǎo)坑底板上0.1m處，共11個鉆孔，每孔水平之間距離0.75m,鉆眼下插角-5°，鉆孔深度3.2m。

圖5 周邊眼間斷隔離裝藥及導(dǎo)爆索安裝示意圖

4.3 起爆網(wǎng)路

掌子面均采用導(dǎo)爆管加紅線導(dǎo)爆索及雷管，進(jìn)行微差組合聯(lián)結(jié)爆破方式，一級掏槽使用1段導(dǎo)爆管，二級掏槽使用3段導(dǎo)爆管，第二層內(nèi)圈眼使用5段導(dǎo)爆管，周邊眼使用7段導(dǎo)爆管，第一層內(nèi)圈眼使用9段導(dǎo)爆管，底板眼使用11段導(dǎo)爆管，束狀族群聯(lián)后，采用電雷管帶線引爆。

5 結(jié)論

（1）實(shí)測一級掏槽與隧道中線間距1.7m，現(xiàn)場對掏槽眼間距實(shí)測，發(fā)現(xiàn)掏槽眼距中心線的偏差0.5～0.7m，應(yīng)控制在1.2m，偏差不大于0.5m，容易使掏槽爆破效果不理想，產(chǎn)生補(bǔ)炮現(xiàn)象；同時應(yīng)當(dāng)增加二級掏槽眼為4個，左/右側(cè)對稱布置，距一級掏槽0.5m。

（2）現(xiàn)場實(shí)測底板眼6個，優(yōu)化后底板眼數(shù)量不少于11個，水平之間距離控制在0.75m左右，每孔裝藥量系數(shù)為0.65kg/m3。

（3）現(xiàn)場量測顯示兩層內(nèi)圈眼之間距離為0.7～1.2m，優(yōu)化后每層內(nèi)圈眼間距不大于0.7m。

（4）原設(shè)計周邊眼環(huán)向間距大于0.5m，優(yōu)化后周邊眼環(huán)向間距不得大于0.45 m，并采用導(dǎo)爆索聯(lián)接，分段間隔裝藥弱爆破方式，盡量減少對開挖輪廓周邊圍巖的擾動。見圖4、圖5。

（5）施工前應(yīng)對設(shè)計尺寸布控開挖眼，采用紅漆標(biāo)出，從隧道中線開始進(jìn)行兩側(cè)對稱布控，防止掏槽眼、周邊眼及內(nèi)圈眼的偏差及布控效果。

（6）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原爆破工藝經(jīng)常存在補(bǔ)炮現(xiàn)象，針對補(bǔ)炮問題的解決，要求施工單位在一級掏槽孔與第二層內(nèi)圈眼之間，增加2個壓頂眼，鉆眼深度為3.2m；通過施工現(xiàn)場多次實(shí)驗(yàn)，施工效果明顯，未發(fā)生補(bǔ)炮及啞炮現(xiàn)象再次發(fā)生，徹底解決了隧道左、右側(cè)拱腳超欠挖及補(bǔ)炮問題，加快了隧道施工進(jìn)度。

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